20 kt/a氟硅酸法氟化鋁裝置設計及運行狀況

虞云峰，冷 慧，劉永成

（湖北宜化集團有限責任公司，湖北 宜昌 443000）

湖北宜化集團有限責任公司（以下簡稱公司）20 kt/a氟硅酸法氟化鋁項目是為豐富公司現有300 kt/a磷酸裝置產業鏈、實現副產氟資源綜合利用而建設的裝置。該裝置由公司與上海弗萊希環保科技有限公司合作建設，位于湖北省松滋市陳店鎮臨港工業園宜化肥業有限公司，工程于2019 年11 月設計開工，2020年8月1日建設完工，并一次性開車成功產出優質產品，在當月實現達產達標。

1 氟化鋁生產工藝

氟化鋁主要用于煉鋁行業，是電解鋁生產所用到的主要添加劑之一。氟化鋁的生產需要用到氟元素，氟元素主要源自螢石或磷礦石。因此，氟化鋁生產工藝可大致分為以螢石為主要原料的傳統濕法氟化鋁工藝、干法氟化鋁工藝，以及以磷酸副產物氟硅酸為主要原料的氟硅酸法氟化鋁工藝［1］。

1.1 濕法氟化鋁工藝

濕法氟化鋁工藝是最傳統的工藝，將硫酸和螢石高溫反應制得粗氟化氫氣體，經吸收制得粗氫氟酸，氫氟酸與氫氧化鋁在一定溫度下反應生成三水氟化鋁，經過濾、干燥、煅燒，最后得無水氟化鋁成品。該工藝得到的產品雜質含量高、品質較差，不滿足下游用戶需求，屬于淘汰工藝［2］。

1.2 干法氟化鋁工藝

干法氟化鋁工藝核心原理是利用螢石與硫酸反應得到無水氟化氫氣體，氟化氫與氫氧化鋁在高溫下反應得到氟化鋁成品。該工藝可以生產出品質較好的氟化鋁，但由于目前螢石資源緊缺，被納入國家戰略資源，因此干法氟化鋁工藝的發展受到限制，生產成本過高，產品盈利能力較弱。

1.3 氟硅酸法氟化鋁工藝

氟硅酸法氟化鋁工藝不止一種。公司采取的是將磷酸濃縮裝置副產的氟硅酸作為原料，與氫氧化鋁直接反應脫硅，經過濾、結晶、離心、干燥、煅燒后得到氟化鋁成品。該法生產的氟化鋁除松裝密度較干法略低外，其他性能均能很好地滿足下游行業使用要求。由于主要原料氟硅酸是自有磷酸裝置的副產物，相對干法工藝成本低。

2 氟硅酸法氟化鋁生產裝置設計

本裝置采用直接法工藝，公司對部分工序采取了自主創新，生產工藝流程見圖1，各工序設計情況如下。

圖1 氟硅酸法氟化鋁生產工藝流程

2.1 反應、過濾工序

氟硅酸與氫氧化鋁反應實際是分步進行，首先生成氟硅酸鋁，反應伴隨著放熱，隨后氟硅酸鋁分解形成氟化鋁、二氧化硅與氫氟酸，氫氟酸繼續與氫氧化鋁反應得到氟化鋁。

其分步反應方程式如下［3］：

將加熱后的氟硅酸與氫氧化鋁分別計量后直接混合反應脫硅，得到含有二氧化硅的氟化鋁料漿，料漿經過帶式過濾機過濾除硅后得到氟化鋁溶液。

氟硅酸采用雙石墨換熱器加熱，換熱效率高，副產的蒸汽冷凝液全部回用至反應、過濾系統。

公司選用的氟硅酸計量槽通過溢流口控制計量，每個計量槽有2個溢流口，可以通過變換溢流口改變每一槽的氟硅酸加入量，靈活調節生產負荷。

帶式過濾機濾布沖洗水經過板框壓濾機壓濾后一部分回用作帶式過濾機濾布沖洗水，一部分用作尾洗工序的補水，減少了一次水的使用量。

2.2 結晶、離心工序

過濾得到的氟化鋁溶液在結晶槽內直接升溫結晶，結晶時間控制在4 ～5 h，結晶溫度控制在95 ～99℃，生成三水氟化鋁料漿。結晶槽采用碳鋼襯膠結構，本體盤管升溫，底部放料口裝有自主設計的防燙器，可以實現安全在線清堵。

公司選用刮刀式自動卸料離心機對三水氟化鋁料漿進行離心、卸料。并將離心后的母液統一收集、自然沉降，底部物料回收并重新送至離心工序，上部清液回用作離心機濾布沖洗水。

2.3 干燥、煅燒、尾洗工序

本裝置離心后的三水氟化鋁濕料經螺旋輸送機進入干燥機，通過引風機抽取煅燒窯內的熱氣在干燥機內對濕物料進行干燥，脫除表面游離水，得到三水氟化鋁干料。

干燥機引風攜帶有大量物料粉塵，經過旋風除塵器、袋式除塵器兩級除塵后進入三級尾氣洗滌塔洗滌達標后排放，物料粉塵全部回收。

干燥后的物料進入煅燒窯，利用天然氣經窯壁直接煅燒物料，煅燒后的物料經循環水冷卻后得到無水氟化鋁成品。

3 氟化鋁裝置特點

公司氟化鋁裝置依托現有磷酸裝置建成，以磷酸濃縮工序副產的氟硅酸為原料，實現了氟資源綜合利用，符合循環經濟原則，極大地提升了氟產品的附加值。項目裝置具備環保、節能、氟利用率高三大特點。

3.1 環保

（1）將生產過程中產生的蒸汽冷凝液全部回用于反應、過濾工序，極大地減少了一次水的用量。

（2）將離心后的母液沉降，上層清液用作離心機濾布沖洗水，實現了離心廢水的循環利用。

（3）產生的一切廢水全部回用作公司磷銨裝置工藝補水，實現了廢水零排放。

（4）將反應、過濾工序產生的含氟尾氣與干燥工序排放的尾氣統一收集，采取管道噴淋與三級尾洗塔串聯的方式充分洗滌，徹底解決了廢氣無組織排放問題。

3.2 節能

（1）充分利用蒸汽冷凝液熱量，減少了外部能耗。

（2）將結晶后的物料利用刮刀式自動離心機進行固液分離，安全高效，離心后的半成品物料w（H2O）可降低至10%以下，遠低于傳統帶式過濾機過濾后的w（H2O）20%，顯著地減少了干燥、煅燒工序的能耗。

（3）相較于同行業經常采取的干燥、煅燒一體化設計，本裝置將干燥與煅燒分開，采取逆流加熱，利用煅燒窯窯腔的余熱作為干燥機的熱源，實現了能量的充分利用，且無須外部提供額外熱源。

3.3 氟利用率高

（1）本裝置的干燥、煅燒工序抑制了副反應的發生，提高了產品的氟含量，處于行業先進水平。

（2）公司依托現有磷酸裝置，將裝置產生的部分含氟廢水返回磷酸裝置濃縮工序進行氟吸收后得到氟硅酸繼續作原料使用，進一步提升了氟資源的綜合利用率。

4 運行狀況

本裝置建成后1個月內達產達標，至今運行穩定，各項指標均達設計要求。

4.1 開車優化項目

（1）為提升反應效果，降低放料口清理強度，公司將氟硅酸w（H2SiF6）控制在18% ～20%，反應pH控制在1.7 ～2.0；并針對反應槽攪拌槳尺寸、形狀進行了自主設計，將反應槽攪拌槳原始設計的雙層攪拌槳葉更換為三層槳葉、底部弧形構造，改造后反應槽內壁與底部基本不再有附著物，解決了堵塞的問題。

（2）為延長帶式過濾機濾布使用周期，公司通過自主創新，利用副產的蒸汽冷凝液為帶式過濾機濾布升溫，減少了三水氟化鋁在濾布上以α晶型的結晶，使帶式過濾機濾布使用周期由1 ～3 d延長至7 ～12 d。

（3）對結晶槽攪拌槳槳葉形狀進行了自主設計改造，加裝雙層槳葉并變更了槳葉尺寸，同時對放料口進行了適當改造，成功解決了結晶槽放料易堵塞的問題。

4.2 指標控制情況

1） 效益指標 氟硅酸（折w（H2SiF6）100%）消耗≤1.2 t/t，氫氧化鋁消耗≤1.23 t/t，天然氣消耗≤150 m3/t，蒸汽消耗≤0.9 t/t，達到行業較好水平。

2） 質量指標 本裝置氟化鋁產品指標滿足GB/T 4292—2017 中關于氟硅酸法無水氟化鋁的AF-2標準，對比情況見表1。

由表1 可知，本裝置氟化鋁產品w（F）可穩定在63%以上，優于國家標準；產品w（灼減量）≤1.0%，處于同行先進水平，甚至可以達到干法氟化鋁產品灼減量要求；產品中的硅、磷、硫酸根等雜質含量均明顯優于國家標準。

表1 氟化鋁產品指標與GB/T 4292—2017要求對比

5 結語

公司氟化鋁裝置開車至今運行平穩，具備以下優勢：產品質量好，裝置能耗低，蒸汽消耗≤0.9 t/t，天然氣消耗≤150 m3/t，處于行業先進水平。